白云凹陷中深層超壓發(fā)育特征及油氣勘探新啟示*

田立新 張忠濤 龐 雄 吳 哲 王卓超何 敏 陳紅漢 舒梁峰 馮 軒

(1. 中海石油(中國(guó))有限公司深圳分公司 廣東深圳 518054； 2. 中海石油深海開(kāi)發(fā)有限公司 廣東深圳 518054;3. 中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)資源學(xué)院 湖北武漢 430074)

南海北部陸緣珠江口盆地白云凹陷深水區(qū)是已被勘探實(shí)踐證實(shí)的富生烴凹陷[1-8]，具有油氣兼生、以氣為主的油氣資源特征。截至2019年底，累計(jì)發(fā)現(xiàn)三級(jí)地質(zhì)儲(chǔ)量天然氣近3 000×108m3、原油近8 000×108m3。“十三五”之前，白云凹陷油氣勘探主要集中在中淺層，近90%的探明油氣儲(chǔ)量集中在中新統(tǒng)珠江組下段，晚期活動(dòng)斷裂或底辟與構(gòu)造脊—砂體復(fù)合輸導(dǎo)控制了中淺層油氣優(yōu)勢(shì)聚集，而漸新統(tǒng)珠海組及以下的中深層油氣發(fā)現(xiàn)較少[7]。

近幾年在珠海組及之下的中深層鉆遇規(guī)模儲(chǔ)層，逐漸揭示白云凹陷中深層的油氣勘探潛力。如：發(fā)現(xiàn)了流花34f井恩平組油藏和白云5b井中深層連續(xù)氣藏等。但是，在珠海組及之下的中深層也鉆遇了超壓，而對(duì)于深水區(qū)地層超壓的分布和演化史還不清楚，尤其在高、變地溫背景下，超壓對(duì)油氣運(yùn)聚過(guò)程及不同區(qū)塊間成藏差異的影響等方面還缺乏深入研究。因此，本文針對(duì)白云凹陷深水區(qū)中深層勘探所面臨的超壓成藏問(wèn)題，綜合利用已鉆井和地震速度資料，預(yù)測(cè)了現(xiàn)今地層壓力分布特征，分析了超壓形成控制因素，探索了超壓對(duì)油氣運(yùn)移、聚集的影響，為白云深水區(qū)中深層有利勘探方向選擇提供了參考。

1 地質(zhì)背景

白云凹陷位于珠江口盆地珠二坳陷，是該盆地新生界地層發(fā)育最完整的深大凹陷，白云深水區(qū)勘探面積近30 000 km2，主要包括白云主洼、白云西洼、白云東洼、白云南洼等4個(gè)次一級(jí)洼陷，水深300～2 000 m，最大沉積地層厚度超過(guò)10 000 m。自下而上發(fā)育文昌組(Tg—T80)和恩平組(T80—T70)兩套裂陷期地層，以及珠海組(T70—T60)、珠江組(T60—T40)、韓江組(T40—T32)、粵海組(T32—T30)和萬(wàn)山組(T30—T20)等5套裂后期地層[5-6,9]。勘探實(shí)踐中往往將珠海組及以下地層歸屬為中深層，即下組合地層。白云凹陷介于陸架-陸坡地殼減薄過(guò)渡帶，多幕拉張、裂陷使得其地殼厚度向洋盆方向遞減?，F(xiàn)今陸架區(qū)地殼厚度22～30 km，至陸坡區(qū)地殼厚度迅速減小到20 km之下，而在凹陷中心部分地殼厚度減小至10 km之下(圖1a、2)。現(xiàn)今地溫場(chǎng)分析結(jié)果表明，白云凹陷平均地溫梯度一般在4.5 ℃/100 m以上，部分實(shí)測(cè)溫度數(shù)據(jù)甚至超過(guò)了6.0 ℃/100 m(圖1b)，表現(xiàn)為“熱盆”，具有高變地溫特征。

圖1 珠江口盆地地殼厚度與地溫梯度平面分布圖

圖2 南海北部陸緣珠江口盆地巖石圈結(jié)構(gòu)地質(zhì)剖面(測(cè)線位置見(jiàn)圖1a)

2 超壓分布特征

“十三五”期間，白云凹陷多口井鉆至中深層，取得了實(shí)測(cè)溫度和壓力數(shù)據(jù)?；阢@井實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，結(jié)合地震速度資料，對(duì)白云凹陷地層超壓分布特征開(kāi)展了系統(tǒng)研究。本次研究采用常用的地層壓力分類方案[10-11]，將1.2作為常壓和超壓的界限。

2.1 實(shí)測(cè)地層壓力分布特征

本次研究數(shù)據(jù)來(lái)源于白云凹陷39口井的MDT、DST等實(shí)測(cè)溫度、壓力數(shù)據(jù)，實(shí)測(cè)壓力數(shù)據(jù)875個(gè)，數(shù)據(jù)點(diǎn)集中在1 500～4 700 m深度范圍內(nèi)。根據(jù)鉆井實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的平面分布，將白云凹陷劃分為白云井區(qū)、流花井區(qū)、番禺井區(qū)、荔灣井區(qū)(圖3、4)。整體上看，白云凹陷淺層和凹陷周緣鉆井實(shí)測(cè)壓力主要為常壓，壓力系數(shù)主要分布在0.9～1.0，而白云主洼中深層有超壓顯示，壓力系數(shù)大于1.3。其中，番禺井區(qū)全部為正常壓力，表現(xiàn)為常溫-常壓特征；白云井區(qū)3 800 m以下中深部的珠?！髌浇M地層壓力系數(shù)普遍大于1.3，最高可達(dá)到1.55，表現(xiàn)為高溫-高壓特征；流花井區(qū)壓力系數(shù)全部在1.0左右，表現(xiàn)為高溫-常壓特征；荔灣井區(qū)4 000 m以下的珠?！牟M地層出現(xiàn)明顯超壓，最高壓力系數(shù)可達(dá)到1.5，表現(xiàn)為高溫-高壓特征。

圖3 白云凹陷實(shí)測(cè)溫壓井分區(qū)及現(xiàn)今壓力預(yù)測(cè)剖面位置圖

圖4 白云凹陷實(shí)測(cè)溫度、壓力數(shù)據(jù)隨深度變化分布圖

2.2 剖面地層壓力分布特征

地層壓力預(yù)測(cè)的方法有多種[11-14]，包括Eaton法、Bowers法等，其中超壓層低速特點(diǎn)是基于速度資料進(jìn)行壓力預(yù)測(cè)的前提。本次研究結(jié)合地震和鉆井、測(cè)井資料，首先擬定35口井，在虛擬井壓力計(jì)算結(jié)果與實(shí)際井測(cè)量數(shù)據(jù)計(jì)算誤差不超過(guò)5%的情況下，建立全區(qū)現(xiàn)今地層壓力數(shù)據(jù)體。基于這一預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)體，分析了白云主洼地層壓力的空間分布特征。

Line1從北部番禺低隆起過(guò)白云主洼中心向南延伸至云荔低隆起邊緣(圖5a)。在這條剖面上，北部白云北坡在珠海組及以下地層存在異常高壓，壓力系數(shù)最高達(dá)到1.5；白云主洼中部，超壓頂界面位于珠江組，深度在3 500～5 000 m，至文昌組壓力系數(shù)最高可達(dá)1.7以上；白云主洼南部超壓頂界面基本位于恩平組頂面(T70)之下，向南逐漸降低。因此，白云主洼北坡和南部被斷層切割部位的超壓頂界面較低，而主洼中部斷層發(fā)育較少，超壓頂界面埋深較淺，最高至下珠江組。

Line2從白云西南部延伸至主洼，再到白云東北部(圖5b)。在這條剖面上，西南部超壓分布范圍有限，且壓力系數(shù)較低，普遍在1.6以下；至東北方向深部超壓逐漸增大，文昌組壓力系數(shù)最高超過(guò)1.9，恩平組基本在1.6～1.8。因此，與南北向剖面特征相似，超壓在主洼中部最明顯，超壓頂界面淺，而主洼南部斷層密集，超壓主要分布在深層文昌組，主洼東北部受到斷層影響超壓頂界面也明顯下降。

2.3 平面地層壓力分布特征

平面上，白云東洼、白云西洼和白云主洼周緣基本表現(xiàn)為常壓，地層超壓主要分布在白云主洼東北部，且超壓中心分布自文昌組向上至珠海組具有繼承性。文昌組頂界面(T80)超壓中心位于白云主洼東北部(圖6a)，壓力系數(shù)大部分在1.7以上，最大可達(dá)1.9以上，超壓中心平面分布呈現(xiàn)東北高、西南低形態(tài)，東北部和西南部地層壓力呈緩慢降低趨勢(shì)，南、北兩側(cè)壓力系數(shù)降低較快；恩平組頂界面(T70)壓力系數(shù)分布特征與文昌組具有繼承性，超壓中心略向南遷移(圖6b)，白云主洼壓力系數(shù)基本在1.3～1.8，東部荔灣構(gòu)造附近以常壓為主，西南部壓力系數(shù)1.2～1.3；珠海組頂界面(T60)超壓平面分布形態(tài)與恩平組相似，超壓范圍明顯減小，壓力系數(shù)在1.2～1.6(圖6c)，白云主洼北坡B5b井以北壓力系數(shù)在1.4以下，與鉆井實(shí)測(cè)值基本吻合。

圖6 白云凹陷壓力系數(shù)平面分布

3 超壓成因機(jī)制及控制因素

巖石壓實(shí)過(guò)程中的應(yīng)力作用和流體膨脹是目前廣泛認(rèn)可的2種超壓形成機(jī)制[14-18]，而導(dǎo)致超壓形成的地質(zhì)因素通常包括：構(gòu)造擠壓、欠壓實(shí)、生烴作用、原油裂解、水熱作用、黏土礦物脫水等。綜合地質(zhì)條件和地球物理參數(shù)特征分析認(rèn)為，白云凹陷中深層超壓不具有欠壓實(shí)特征，流體膨脹是超壓形成主要原因。

欠壓實(shí)超壓的形成通常需要較高的沉積速率和大套泥巖沉積，但是白云主洼北坡B5b井區(qū)珠海組沉積環(huán)境為陸架三角洲前緣，恩平組上段沉積環(huán)境為辮狀河三角洲平原，缺乏大套泥巖的發(fā)育背景，不具備欠壓實(shí)超壓形成的地質(zhì)條件。另外，巖石孔隙度及孔隙結(jié)構(gòu)是反映欠壓實(shí)超壓的關(guān)鍵參數(shù)，白云凹陷超壓段砂巖地層中未見(jiàn)孔隙度明顯增大，超壓段儲(chǔ)層巖石薄片鑒定顯示顆粒間以線接觸和鋸齒狀接觸為主，達(dá)到中成巖階段B期，砂巖不具備欠壓實(shí)特征。

Bowers等(1995)[12]總結(jié)了欠壓實(shí)與流體膨脹成因下超壓段在有效應(yīng)力-速度、有效應(yīng)力-密度的關(guān)系，指出欠壓實(shí)引起的超壓位于應(yīng)力加載曲線上，而流體膨脹造成的超壓則位于應(yīng)力卸載曲線的上部。本區(qū)速度-有效應(yīng)力判識(shí)圖版指示，超壓段總體表現(xiàn)出偏離正常壓實(shí)趨勢(shì)的特征(圖7a)，為流體膨脹成因。Lahann等(2001)[19]提出密度-速度交會(huì)圖可以區(qū)分黏土礦物脫水和生烴作用造成的超壓，黏土礦物脫水的超壓泥巖表現(xiàn)為聲波速度明顯減小而密度略有增大，而流體膨脹引起的超壓泥巖密度基本不變或略有減小。在速度-密度圖版上，B5b井超壓段速度變化大，密度基本不變，也可以判斷該區(qū)超壓形成主要原因?yàn)榱黧w膨脹 (圖7b)。

圖7 白云凹陷超壓成因機(jī)制判識(shí)圖(圖版據(jù)BOWERS G L[12])

綜合各類地質(zhì)條件分析認(rèn)為，白云凹陷超壓形成與分布的控制因素如下。

1) 烴源巖大規(guī)模生烴是超壓形成的前提條件。

始新統(tǒng)文昌組和恩平組是白云凹陷發(fā)育的兩套主力烴源巖[20-21]。文昌組為半深湖相烴源巖，TOC含量0.9%～1.8%；恩平組以海侵/海相烴源巖為主，TOC含量0.7%～5.4%。根據(jù)烴源巖熱演化模擬結(jié)果，文昌組37 Ma進(jìn)入生油階段，晚期高熱流事件導(dǎo)致16 Ma以來(lái)進(jìn)入快速生氣階段；恩平組在16 Ma以來(lái)也進(jìn)入大規(guī)模生氣階段。另外，原油裂解實(shí)驗(yàn)指示，Ro達(dá)1.8%～3.5%(約200～260 ℃)，進(jìn)入原油裂解生氣階段，白云主洼文昌組埋深大、地溫梯度高，存在原油規(guī)模裂解生氣潛力。大規(guī)模和長(zhǎng)期的烴源巖生排烴形成的流體膨脹為白云主洼超壓的形成提供了條件。

2) 深部致密儲(chǔ)層控制了超壓頂界面。

白云凹陷具有高變地溫特征，隨著地溫梯度升高，砂巖孔隙度和滲透率明顯降低[22]。綜合儲(chǔ)層成巖—孔隙演化—烴類充注歷史分析(圖8)，認(rèn)為白云凹陷中—高地溫梯度區(qū)珠海組砂巖在13.8 Ma主要烴類充注之前，普遍成巖致密化，剩余孔隙度已由22.8%減少至11.9%，對(duì)于下伏地層壓力系統(tǒng)形成相對(duì)封閉的條件，不利于文昌組—恩平組烴源巖生成的油氣向外排出。深部文昌組、恩平組砂巖在主成藏期更是普遍致密化，導(dǎo)致油氣向外排出不暢。白云主洼北坡的B5b井，近千米井段砂巖均含氣，從珠海組開(kāi)始地層普遍出現(xiàn)超壓，砂巖儲(chǔ)層存在致密化特征，而超壓頂界面與儲(chǔ)層致密的深度具有良好的一致性，證實(shí)深層緊鄰烴源巖的致密砂巖的封蓋作用。

圖8 白云凹陷油氣成藏系統(tǒng)綜合分析模式圖

3) 構(gòu)造演化與沉積中心控制超壓平面分布范圍。

白云凹陷內(nèi)主要發(fā)育NWW、EW、NE—NEE向斷裂，T80界面近東西向斷層控制了凹陷的沉降中心，隨著沉積中心向北遷移，主洼東北部的超壓保存較好?？傮w而言，大斷層控制洼陷的沉積中心，進(jìn)而控制超壓的分布范圍。主要表現(xiàn)為：①受沉積中心遷移影響，超壓中心主要分布在白云主洼中部至東北部；②整體上白云主洼超壓區(qū)域呈NE—SW向展布，越往上超壓分布范圍越??；③壓力向南北方向急劇減小，東西向緩慢減小，白云主洼東部荔灣構(gòu)造區(qū)受底辟影響的泄壓作用明顯。

4 超壓背景下油氣成藏模式及勘探方向

4.1 超壓對(duì)油氣成藏的影響

1) 超壓提供了油氣運(yùn)移動(dòng)力，促進(jìn)形成斷裂或底辟油氣運(yùn)移通道。

生烴超壓是白云主洼超壓主要成因，烴源巖分布控制了超壓體分布，超壓為油氣運(yùn)移提供了動(dòng)力。白云主洼現(xiàn)今發(fā)育多種與油氣運(yùn)移相關(guān)的泄壓通道類型(通源斷裂、晚期底辟、伸入源巖的指狀砂體)，近底辟帶和斷裂帶可見(jiàn)亮點(diǎn)、含氣砂質(zhì)侵入體、沸騰包裹體等，指示烴類運(yùn)移與深層泄壓作用關(guān)系密切，而底辟區(qū)和斷裂帶是主要泄壓區(qū)。約16 Ma以來(lái)白云主洼出現(xiàn)明顯增壓，洼陷中心恩平—文昌組基本都處于超壓封存箱內(nèi)，壓力系數(shù)最大可達(dá)1.8～1.9，與超壓中心緊鄰的底辟和斷裂泄壓區(qū)是天然氣聚集的有利部位。油氣主充注期斷裂活動(dòng)?xùn)|北強(qiáng)、西南弱，底辟活動(dòng)在洼陷中部和東南部活躍。因此，白云北坡和東南部荔灣構(gòu)造帶為優(yōu)勢(shì)泄壓方向，形成上組合油氣藏，也是目前白云凹陷天然氣藏的主要發(fā)現(xiàn)區(qū)。

2) 超壓作用控制形成“雙層”天然氣成藏系統(tǒng)。

近期鉆探的B5b井揭示白云凹陷存在上下兩套不同的天然氣成藏系統(tǒng)(圖9)，具有不同的流體來(lái)源和壓力系統(tǒng)。第1套為淺層常壓成藏系統(tǒng)，即ZJ490—ZH420氣藏(3 910～4 790 m)，處于上部正常壓力系統(tǒng)，氣源來(lái)自斜坡帶文昌組烴源巖干酪根裂解氣；第2套為中深層超壓成藏系統(tǒng)，即ZH440—EP210氣藏(4 790～5 113 m)，處于超壓面之下的超壓系統(tǒng)，氣源主要為原油裂解氣貢獻(xiàn)。下部超壓系統(tǒng)的儲(chǔ)層瀝青分析表明，該區(qū)曾發(fā)生過(guò)早期原油充注，中深層超壓帶天然氣為原油裂解氣。另外，白云凹陷外圍探井多為失利井，也表明凹陷中部深層烴類向外運(yùn)移不暢。因此，在晚期高地溫梯度背景下，封閉在洼陷深層原油高溫裂解氣，使得洼陷深部具有大面積賦存天然氣的潛力。

圖9 B5b井干酪根裂解氣(ZJ490—ZH420)和原油裂解氣(ZH440—EP210)判識(shí)

4.2 油氣成藏模式及有利勘探方向

綜合分析認(rèn)為，白云凹陷存在“雙層”油氣成藏模式(圖10)。上部成藏體系主要處于常壓環(huán)境，下生上儲(chǔ)，浮力驅(qū)動(dòng)，晚期斷裂/底辟帶和繼承性構(gòu)造脊控制了油氣成藏；下部成藏體系具有自生自儲(chǔ)、超壓驅(qū)動(dòng)、連續(xù)運(yùn)移、連片成藏特征，明顯區(qū)別于上組合浮力運(yùn)移成藏，并且存在箱內(nèi)、箱外2種成藏條件。因此，白云凹陷深層油氣在超壓動(dòng)力作用下，主要向近源物性好的“甜點(diǎn)”儲(chǔ)層中充注，只有部分油氣通過(guò)晚期活動(dòng)的斷裂、底辟，突破壓力封存箱，調(diào)整至中淺層成藏。由此推測(cè)，白云凹陷大量油氣還富集在深層。而近期通過(guò)成因法預(yù)測(cè)白云凹陷總地質(zhì)資源量約27.7×108t，其中天然氣資源量超過(guò)16.0×108t油當(dāng)量，石油資源量超過(guò)11.7×108t，勘探潛力巨大。在上述油氣成藏模式指導(dǎo)下，提出白云凹陷中深層3個(gè)有利勘探方向。

圖10 白云凹陷“雙層”油氣成藏模式圖

1) 下組合地層超覆領(lǐng)域。

下組合指的是珠江組區(qū)域厚層海相泥巖蓋層之下的珠海組至文昌組儲(chǔ)蓋組合。受白云凹陷拆離斷層活動(dòng)影響，北部物源持續(xù)加強(qiáng)、東西兩翼物源持續(xù)萎縮，控制了下組合儲(chǔ)蓋層及圈閉的發(fā)育。東西兩翼文昌組五段和四段發(fā)育大規(guī)模辮狀河三角洲，文昌組上段及恩平組下段則演化為湖相富泥沉積，在空間上形成了良好的儲(chǔ)蓋組合。同時(shí)受白云凹陷外緣隆起區(qū)和凹陷中心差異沉降的影響，在東、西兩翼更易形成大規(guī)模的地層超覆圈閉。在東西兩翼發(fā)育兩套儲(chǔ)蓋組合，第1套為下文昌組辮狀河三角洲儲(chǔ)層與上文昌組—下恩平組湖相泥巖蓋層組合；第2套為珠海組陸架三角洲儲(chǔ)層與珠江組海相泥巖蓋層組合。

2) 古潛山領(lǐng)域。

白云凹陷晚中生代位于太平洋板塊俯沖作用控制下的島弧區(qū)域，發(fā)育以花崗巖為主的巖漿巖，NE—NEE向和NWW向兩組先存斷裂密集發(fā)育[23]。自晚中生代以來(lái)經(jīng)歷了主動(dòng)陸緣向被動(dòng)陸緣的轉(zhuǎn)化、巖石圈強(qiáng)烈的伸展拆離、晚期構(gòu)造活化等，一直處于應(yīng)力集中區(qū)。白云凹陷已有多口井鉆遇基底，基巖巖心薄片可見(jiàn)構(gòu)造裂縫和溶孔現(xiàn)象，并且基巖具有低速低密的地球物理特征，地震切片見(jiàn)到兩組明顯的微小斷裂系。研究認(rèn)為白云西南斷階帶和白云東流花34地區(qū)是古潛山勘探有利區(qū)帶，在主洼超壓作用驅(qū)動(dòng)下，具有近源、油氣充注強(qiáng)度大、花崗巖儲(chǔ)層風(fēng)化溶蝕和構(gòu)造裂縫發(fā)育、區(qū)域泥巖蓋層保護(hù)等優(yōu)越成藏條件。

3) 下組合高溫超壓“甜點(diǎn)”儲(chǔ)層區(qū)。

白云主洼周緣中深層超壓體系內(nèi)，珠海組下段—恩平組發(fā)育大規(guī)模辮狀河三角洲砂巖，具有近源成藏或自生自儲(chǔ)成藏優(yōu)勢(shì)。不同于傳統(tǒng)的浮力成藏，在超壓驅(qū)動(dòng)成藏模式下，超壓箱內(nèi)油氣聚集只受控于有效儲(chǔ)層的分布。白云主洼洼陷帶埋深大，珠海組之前位于陸架坡折之上，發(fā)育大型辮狀河三角洲體系，砂巖分選好、粒度粗、純凈度高，具有優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層發(fā)育的物質(zhì)基礎(chǔ)。通過(guò)地震砂體掃描及波形分析等技術(shù)，在下組合預(yù)測(cè)了“甜點(diǎn)”儲(chǔ)層可能的發(fā)育范圍，北側(cè)相對(duì)淺埋藏條件下，具有超壓規(guī)模“甜點(diǎn)”天然氣成藏的可能。

5 結(jié)論

1) 最新鉆井揭示白云凹陷深水區(qū)中深層超壓普遍發(fā)育，白云主洼超壓分布呈現(xiàn)東北高、西南低的特征，斷裂和底辟是壓力釋放的主要通道。

2) 指出生烴超壓和致密儲(chǔ)層封閉是白云凹陷超壓形成的主要原因，烴源巖大規(guī)模生烴是超壓形成的前提條件，深部致密儲(chǔ)層控制了超壓頂界面，構(gòu)造演化與沉積中心控制了超壓平面分布范圍。

3) 白云凹陷中深層超壓對(duì)油氣成藏的影響主要表現(xiàn)在提供油氣運(yùn)移動(dòng)力，促進(jìn)形成斷裂和底辟泄壓通道，并控制形成“雙層”天然氣成藏系統(tǒng)。指出白云凹陷下組合地層超覆領(lǐng)域、古潛山領(lǐng)域以及高溫超壓“甜點(diǎn)”儲(chǔ)層區(qū)3個(gè)有利勘探方向。